CN101739489B - 激光拼焊板成形极限图的建立和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光拼焊板成形极限图的建立方法，包括以下步骤：A、建立XY坐标系，X代表垂直于焊缝方向，Y代表平行于焊缝方向；B、采用经验公式，结合焊接区材料的性能参数计算焊接区材料的极限应变；再基于焊接区材料与弱侧母材的应力应变关系，结合弱侧母材的性能参数，计算获得当焊接区材料失效时即Y方向应变大于X方向应变时的弱侧母材FLC；C、采用经验公式，结合弱侧母材的性能参数，计算弱侧母材失效时即Y方向应变小于X方向应变时的弱侧母材FLC；D、将步骤B和C获得的弱侧母材FLC同时标绘到XY方向应变坐标系中，即可建立激光拼焊板的成形极限图。本发明能建立适合于工程应用的激光拼焊板成形极限图，有效评价拼焊板成形极限。

Description

激光拼焊板成形极限图的建立和使用方法

技术领域

本发明涉及板料成形加工领域，涉及差厚激光拼焊板失效判据的建立和使用方法，主要用于准确判断差厚激光拼焊板的颈缩或破裂，评价其成形性能。

背景技术

激光拼焊板是指将两块或两块以上不同厚度、不同材料及不同表面状况的板料通过激光焊接而成一整块板，然后进行冲压，以满足冲压零件不同位置对板料不同的性能要求。激光拼焊板由于其减轻车身重量、提高安全性能和降低制造成本等优点，在汽车工业中得到广泛运用，如欧、美、日等国家的汽车厂车身制造，国内一汽大众奥迪的前地板、上海大众的Polo轿车中央通道及门内板均采用了激光拼焊板。

拼焊板成形性能大幅下降是激光拼焊板广泛运用的主要障碍之一，其成形性下降的主要原因是由于焊缝和热影响区的存在，导致拼焊板变形不均匀，最终失效表现为焊缝或弱侧母材开裂。由于汽车冲压件结构复杂，拼焊板的失效形式也各不相同，人们迫切期望深入了解激光拼焊板的成形性能，并能预测开裂的位置和形式，为采取必要的措施提供必要的依据。那么，如何判断激光拼焊板得失效，准确预测其成形能力已成为汽车业和钢铁业的当务之急。

对于单一板来说，成形极限图(Forming limit diagram，简称FLD)能反映板材在不同应变状态下的变形能力，能直观、有效地预测单一板成形能力和失效形式。但是，拼焊板由于其焊缝和母材的差异性的存在，破坏了材料的均匀性和连续性，传统的单一板FLD不能正确反映拼焊板得成形能力和失效模式。工程中又迫切需要拼焊板成形能力和失效模式的判断方法，以正确、有效地评价其成形性能。

国内外学者对拼焊板成形能力的判断方法进行了大量探索，主要是参考单一板成形极限图思想，建立拼焊板成形极限图来评价拼焊板成形能力。

1.仅考虑拼焊板中焊缝材料的成形极限，用焊缝的成形极限曲线(Forming limit curve，简称FLC)来评价拼焊板的成形能力。

由于拼焊板失效可能出现在焊缝上，也可能出现在弱侧母材上。上述将焊缝材料的FLC用来评价拼焊板成形性能，无法正确预测失效出现在弱侧母材的拼焊板。而且，已有研究表明，焊缝上失效的拼焊板成形性能大大超过焊缝的成形性能，所以将拼焊板孤立出来分析其FLC，不能合理反映失效出现在焊缝上的拼焊板成形性能。

2.仅考虑拼焊板弱侧母材的成形极限，用弱侧母材的成形极限图(FLD)来评价拼焊板成形性能。

虽然此方法可合理反映出失效出现在弱侧母材的拼焊板的成形性能，但是无法反映失效出现在焊缝上的拼焊板得成形性能和失效模式。

3.结合焊接区(包括焊缝和热影响区)和弱侧母材的FLC的成形极限图；弱侧母材FLC采用经验公式或厚度梯度获得，焊缝区的FLC通过半球胀形试验建立，如中国发明专利申请200810020646.0就公开了一种这样的“差厚激光拼焊板成形极限图的建立和使用方法”。

这种方法可以正确评价焊缝上失效的拼焊板成形性能。但是，由于焊缝宽度小、硬度高等特点，其失效处的主、次应变难以获取，给焊缝区的FLD建立带来困难；另一方面，单一板的FLD并不能评价弱侧失效的拼焊板成形性能。

如上所述，到目前为止，已有的拼焊板评价方法均存在局限性，而工程中迫切需要准确判断和评价拼焊板成形性能，为实际冲压生产提供指导依据。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种激光拼焊板成形极限图的建立方法，用于判断激光拼焊板的颈缩或破裂，有效评价其成形性能，以克服现有技术的上述缺陷。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种激光拼焊板成形极限图的建立方法，包括以下步骤：

A、建立XY坐标系，X方向代表垂直于焊缝方向，Y方向代表平行于焊缝方向；

B、采用经验公式，结合焊接区材料的性能参数计算获得焊接区材料的极限应变；再基于焊接区材料与弱侧母材的应力应变关系，结合弱侧母材的性能参数，计算获得当焊接区材料失效时即Y方向应变大于X方向应变时的弱侧母材FLC；

C、采用经验公式，结合弱侧母材的性能参数，计算获得弱侧母材失效时即Y方向应变小于X方向应变时的弱侧母材FLC；

D、将步骤B和C获得的弱侧母材FLC同时标绘到XY方向应变坐标系中，即可建立激光拼焊板的成形极限图。

本发明要解决的另一个技术问题是提供了一种根据上述方法建立的激光拼焊板成形极限图的使用方法，包括以下步骤：首先测得拼焊板零件危险部位的应变，若危险部位是焊缝，则测相邻弱侧母材单元，将测得的应变值与拼焊板FLC比较，若测得的应变达到或超过与其对应的FLC，认为拼焊板零件失效；若测得的应变低于与其对应的FLC，认为拼焊板零件可以成功成形。

进一步地，本发明还可以用于判断激光拼焊板的质量是否合格，若实际激光拼焊板成形失效后测得的应变低于FLC值，可判断焊缝或母材质量不合格。

本发明综合考虑焊接区材料、弱侧母材的失效，将焊接区材料失效形式转换到弱侧母材极限应变状态，再与弱侧母材失效的FLC组合成拼焊板的成形极限图，作为激光拼焊板的失效判据，与现有技术相比具有如下优点：

1)本发明综合考虑焊接区材料、弱侧母材的失效，将传统的主次应变图改为平行于焊缝与垂直于焊缝两个方向的应变图，从而直观、真实地反映了拼焊板弱侧母材主应变方向与失效形式的关系。

2)本发明将焊接区材料失效形式转换弱侧母材极限应变状态，不管何种失效形式均只需测量弱侧母材应变，从而避开了焊缝应变测量困难的问题。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是激光拼焊板及所建立的XY坐标系的示意图。

图2是将焊接区材料的极限应变状态转换为弱侧母材极限应变状态的理论计算步骤。

图3根据本发明的方法建立的一种激光拼焊板成形极限图。

图4是利用成形极限图评价激光拼焊板能否成功成形的示意图。

图5是利用成形极限图评价激光拼焊板是否合格的示意图。

具体实施方式

首先说明本发明建立激光拼焊板成形极限图的具体步骤。

A、如图1所示，激光拼焊板主要由强侧母材10、焊接区材料30(焊缝)、弱侧母材20这几部分组成，取平行于焊缝方向为Y方向，垂直于焊缝方向为X方向，建立坐标系。目的是区分两种失效形式：当弱侧母材的Y方向应变大于X方向应变时，焊接区材料失效；当Y方向应变小于X方向应变时，弱侧母材失效；对激光拼焊板而言，其焊缝邻近区域的失效形式一般只有这两种。

B、当焊接区材料失效，即Y方向应变大于X方向应变时，弱侧母材FLC的获取

该部分计算方法基于下列两个基本理论假设：

1、由于拼焊板变形中母材连接处在垂直焊缝和沿焊缝两个方向的差异性较大，故假设焊缝30与弱侧母材20在此处的面内应力主轴和应变主轴重合，且它们各自的主应力和主应变分量始终处于垂直于焊缝和沿焊缝两个方向上；

2、根据拼焊板变形协调关系可假设焊缝与弱侧母材在Y方向上的主应变分量相等，具体步骤如图2所示：

①假定一个焊缝应变比 ${\mathrm{\β}}_A=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{AY}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{AX}}}$ (范围-0.5～1从单向拉伸状态变化到等双向拉伸状态)，根据如下经验公式及焊缝材料参数t、n，计算得到此时焊缝极限应变ε_AX和ε_AY

FLD₀＝(23.3+14.3×t_A)×n_A/0.21

$e_{\mathrm{AY}}=\frac{1+{\mathrm{FLD}}_0}{1+e_{\mathrm{AX}}}-1,(-0.5<{\mathrm{\&beta;}}_A<0)$

e_AY＝(1+FLD₀)×(1+e_AX)^0.5-1      (0＜β_A＜1)

根据公知的公式，可以将计算得到的工程应变e_AX，e_AY换算为真实应变ε_AX，ε_AY。

②根据焊缝单元与相邻弱侧母材单元的力学关系，计算当焊缝达到极限应变状态时的相邻弱侧母材应变。

由焊缝单元与相邻弱侧母材单元的受力平衡式：

σ_AX·t_A＝σ_BX·t_B                            (1-2)

式中：t_A、t_B表示焊缝、相邻弱侧母材在变形过程的实时厚度

又由 $t_A=t_{A0}\&CenterDot;e^{-({\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{AX}}+{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{AY}})},$ $t_B=t_{B0}\&CenterDot;e^{-({\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{BX}}+{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{BY}})}---(1-3)$

可得 ${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{BX}}\&CenterDot;\exp ({\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{AX}}-{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{BX}})=\frac{t_{A0}}{t_{B0}}\&CenterDot;{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{AX}}---(1-5)$

再通过应力应变关系可计算得到弱侧母材应变ε_BX、ε_BY以及应变比β_B

(1)当弱侧母材Y方向应变大于X方向应变时

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{AX}}=\frac{K\&CenterDot;(2+{\mathrm{\&beta;}}_A)}{{[3\&CenterDot;({{\mathrm{\&beta;}}_A}^2+{\mathrm{\&beta;}}_A+1)]}^{(1-n_A)/2}}\&CenterDot;{(\frac{2}{3}\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{AX}})}^{n_A}$

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{BX}}=\frac{K\&CenterDot;(2+{\mathrm{\&beta;}}_B)}{{[3\&CenterDot;({{\mathrm{\&beta;}}_B}^2+{\mathrm{\&beta;}}_B+1)]}^{(1-n_B)/2}}\&CenterDot;{(\frac{2}{3}\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{BX}})}^{n_B}$

${\mathrm{\&beta;}}_B=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{BX}}}{{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{BY}}}$

(2)当弱侧母材X方向应变大于Y方向应变时

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{AX}}=\frac{K\&CenterDot;(2+{\mathrm{\&beta;}}_A)}{{[3\&CenterDot;({{\mathrm{\&beta;}}_A}^2+{\mathrm{\&beta;}}_A+1)]}^{(1-n_A)/2}}\&CenterDot;{(\frac{2}{3}\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{AX}})}^{n_A}$

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{BX}}=\frac{K\&CenterDot;(2+\frac{1}{{\mathrm{\&beta;}}_B})}{{[3\&CenterDot;(\frac{1}{{{\mathrm{\&beta;}}_B}^2}+\frac{1}{{\mathrm{\&beta;}}_B}+1)]}^{(1-n_B)/2}}\&CenterDot;{(\frac{2}{3}\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{BX}})}^{n_B}$

${\mathrm{\&beta;}}_B=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{BY}}}{{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{BX}}}$

每一个焊缝应变比状态下对应可算得母材应变值，将算得的各值连成曲线可得焊缝失效时的弱侧母材极限曲线，如图3中的曲线(1)所示。

C、当弱侧母材失效，即Y方向应变小于X方向应变时，弱侧母材FLC的获取。

采用经验公式，结合弱侧母材的性能参数，计算获得弱侧母材失效时，即Y方向应变小于X方向应变时的弱侧母材FLC，如图3中的曲线(2)所示；

D、采用本发明提出的方法建立激光拼焊板成形极限图

如图3所示，将上述步骤B、C获得的两条弱侧母材FLC同时标绘到XY方向应变坐标系中，即可建立激光拼焊板的成形极限图，结合板料双拉时的临界应变状态曲线即等双拉曲线和单向拉伸曲线，如图3中的曲线(3)(4)(5)所示，可得拼焊板的安全区域abcd和不同应变区域A和B。

下面介绍根据上述方法建立的激光拼焊板成形极限图的应用。

1、应用本发明建立的激光拼焊板的成形极限图能够成功预测拼焊板失效，有效评价其成形性能。

采用差厚激光拼焊板胀形成形试样，测得拼焊板开裂附近应变将其标绘到激光拼焊板成形极限图中，如图4中的五星形所示，可以看出，拼焊后薄侧母材应变值已超过拼焊板FLC，即位于曲线(1)的上方或曲线(2)的右侧，说明现有工艺条件下，该半球胀形将无法成功成形。从实验结果可见，当试件为纵向焊缝时，母材的主应变方向与焊缝的主应变方向相同，都为平行于焊缝方向，此时为焊缝首先失效，弱侧应变值位于弱侧单一母材极限应变线(6)与新的极限区域A的弱侧母材极限曲线(1)之间；当试件为横向焊缝时，母材的主应变方向与焊缝的主应变方向相反，为垂直于焊缝方向，此时弱侧母材先失效，弱侧应变值位于弱侧母材极限应变线(2)之外。实验结果很好地验证了该方法建立的成形极限图。

2、应用本发明建立的激光拼焊板的成形极限图还能够用于判断板料是否合格。

采用差厚激光拼焊板成形半球胀形试件，测得拼焊板开裂附近应变将其标绘到差厚激光拼焊板成形极限图中，如图5中两个黑圆点所示。从实验结果可见，对于此试件，母材的主应变方向与焊缝的主应变方向相同，都为平行于焊缝方向。焊缝失效时，相邻母材的应变值位于新的极限区域A之内。根据理论计算，当焊缝合格时，焊缝达到极限应变时，相邻母材对应的应变应处于曲线(1)上，而此试件在焊缝破裂时，对应的母材应变小于曲线(1)上的值，可见这是由于焊缝质量不合格造成的。同理，也可以判断母材的质量是否合格。

另外，上述成形极限图还可以用于比较不同激光拼焊板成形性能的高低，对于一系列由不同钢材焊接而成的激光拼焊板，将它们的FLC进行比较，曲线位置较高者成形性能较佳。

总之，本发明能建立适合于工程应用的激光拼焊板成形极限图，很好地反映拼焊板的成形特征，有效评价拼焊板成形极限。

Claims (4)

1.一种激光拼焊板成形极限图的建立方法，其特征是，包括以下步骤：

A.建立XY坐标系，X方向代表垂直于焊缝方向，Y方向代表平行于焊缝方向；

B.当-0.5＜β_A＜0时，采用经验公式

当0＜β_A＜1时，采用经验公式e_AY＝(1+FLD₀)×(1+e_AX)^0.5-1，结合焊接区材料的性能参数FLD₀＝(23.3+14.3×t_A)×n_A/0.21，计算获得焊接区材料的极限应变ε_AX和ε_AY，其中再基于焊接区材料与弱侧母材的应力应变关系，结合弱侧母材的性能参数，计算获得当焊接区材料失效时即Y方向应变大于X方向应变时的弱侧母材FLC；

C.当-0.5＜β_A＜0时，采用经验公式当0＜β_A＜1时，采用经验公式e_AY＝(1+FLD₀)×(1+e_AX)^0.5-1，结合弱侧母材的性能参数，计算获得弱侧母材失效时即Y方向应变小于X方向应变时的弱侧母材FLC；

D.将步骤B和C获得的弱侧母材FLC同时标绘到XY方向应变坐标系中，即可建立激光拼焊板的成形极限图。

2.根据权利要求1所述的激光拼焊板成形极限图的建立方法，其特征是，在步骤B中，所述焊接区材料的性能参数通过对焊缝平行于拉伸方向的激光拼焊板进行单拉实验获得。

3.一种根据权利要求1所述方法建立的激光拼焊板成形极限图的使用方法，其特征是，测得拼焊板零件危险部位的应变，若危险部位是焊缝，则测相邻弱侧母材单元，将测得的应变值与拼焊板FLC比较，若测得的应变达到或超过与其对应的拼焊板FLC，认为拼焊板零件失效；若测得的应变低于与其对应的拼焊板FLC，认为拼焊板零件成功成形。

4.根据权利要求3所述的使用方法，其特征是，若实际材料成形失效后测得的应变低于拼焊板FLC值，判断焊缝或母材质量不合格。

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